Intercambios De Energía I 5t315b

LA ENERGÍA TÉRMICA INTERCAMBIOS de ENERGÍA Transporte de Energía Entre dos cuerpos que se encuentran a diferentes temperaturas, siempre se produce una transferencia de energía denominada calor. Por ejemplo, cuando se coloca un termómetro en o con un cuerpo que se encuentra a mayor temperatura que él, se transfiere energía del cuerpo hacia el termómetro. Se dice que pasa calor. El pasaje de calor se lleva a cabo hasta que la temperatura del cuerpo y la del termómetro se igualan. Se pueden reconocer tres formas de transmisión del calor: conducción, convección y radiación.

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Conducción

El proceso de transmisión del calor por conducción consiste en una transferencia de energía desde una zona de mayor temperatura a otra de menor temperatura, sin que haya transporte de materia a través de uno o varios cuerpos. Ejemplos:

'

Si se coloca una de las puntas de una varilla de metal en o con fuego, después de un tiempo habrá aumentado la temperatura del otro extremo. El calor se ha transmitido desde un extremo al otro de la varilla por conducción. ' Si se coloca dentro de una taza con agua caliente una cuchara metálica con una temperatura inferior a la del agua, después de un tiempo se puede percibir que la parte de la cuchara que está fuera del líquido también se calentó. En ambos casos el calor pasó por conducción de un extremo al otro. Y no fueron las partículas de metal las que se desplazaron, pues en el fenómeno de conducción no se produce transporte de materia, sino de energía.

La conducción del calor se puede explicar según el modelo de partículas, teniendo en cuenta que la temperatura de un cuerpo se relaciona con la energía cinética de las partículas que forman el material. Esto significa que, si un cuerpo recibe calor de otro que se encuentra a mayor temperatura, las partículas del primero comienzan a vibrar con mayor energía cinética. La vibración hace que esas partículas se acerquen y se alejen de otras. La variación en la fuerza eléctrica que se produce en estas interacciones, que depende de la distancia entre las partículas, provoca un aumento en la energía cinética de las partículas más alejadas; estas, a su vez, interactúan con las siguientes y, de esa manera, la energía se conduce a través del cuerpo. Cada material está formado por un determinado tipo de partículas que se encuentran distribuidas de un modo particular; estas particularidades explican por qué cada sustancia conduce el calor de manera diferente. Algunos materiales, como los metales, conducen muy bien el calor: se los llama buenos conductores térmicos. Otros, como el corcho, conducen con dificultad: son llamados malos conductores térmicos. Por ejemplo los metales con los

cuales están hechas las ollas son buenos conductores, porque ayudan a que el alimento se cocine más rápido; y que el plástico o la madera con la cual están hechos los mangos de los cucharones son malos conductores del calor, porque no dejan que nos quememos las manos a pesar que el alimento se encuentre caliente. Para que esta clasificación sea más precisa, cada sustancia tiene un coeficiente de conductividad térmica que la caracteriza. Una de las consecuencias de la conducción del calor es la sensación de “frío” o de “caliente”, según la cual se clasifican los objetos cuando una persona los toca. Cuando el objeto que se toca se encuentra a menor temperatura que la piel, se conduce calor desde la piel hacia el objeto, y esto produce la sensación de frío. Si el objeto está aproximadamente a la temperatura de la piel, no se percibe sensación de frío ni de calor, porque la transferencia Física 4° Año - Rosana Estela Gómez de Ramella

de calor es muy escasa. Por último, si se toca un objeto que se encuentra a mayor temperatura que la de la piel, pasa calor desde el objeto hacia la piel y se dice que el objeto está caliente. La propiedad de conducir mejor o peor el calor, típica de cada sustancia, se indica mediante el coeficiente de conductividad térmica (k). Este coeficiente está registrado en tablas especialmente diseñadas. La conductividad térmica indica la cantidad de calor que se transmite por unidad de tiempo por cada unidad de superficie, cuando la variación de temperatura es de un grado por cada unidad de longitud. k

Sustancia

 W     m ⋅ °C 

Acero

46

Agua

0,60

Aluminio

205

Aire

0,025

Cobre

384

Hielo

2,2

Ladrillo

1,2

Telgopor

0,03

Vidrio

1,04

Si se mantiene calefaccionada una habitación, las caras interiores de las paredes estarán a mayor temperatura que las caras exteriores. Se produce, entonces, un flujo de calor por conducción, en la pared, hacia el exterior. Al principio, el flujo de calor va modificando la temperatura en el interior de la pared hasta que en algún momento dejará de modificarla y simplemente pasará a través de ella. Cuando el calor que fluye a través de un sólido que, como en este caso, hace de “puente” entre el interior y el exterior, y ya no eleva su temperatura al ser atravesado por el calor, estamos en presencia del llamado régimen estacionario del flujo de calor. Para obtener la cantidad de calor que fluye a través de la pared (Q) utilizamos la Ley de Fourier:

Q=k⋅

A ⋅ ∆T ⋅t e



W   es el  m ⋅ °C 

donde Q (J) es la medida de energía transferida, llamada cantidad de calor; k 

coeficiente de conductividad; A (m2) es el área considerada; ∆t (°C) es la diferencia de temperatura; e (m) es el espesor del material y t (seg) es el tiempo durante el cual fluye esa cantidad de calor. Ejemplo: Una pared de ladrillos de 10 m2 de superficie y 20 cm de espesor separa una habitación (que se encuentra a 20 °C) del exterior (que se encuentra a 5 °C). Calcula la cantidad de calor que pasa por segundo desde la habitación hacia el exterior.

Q=k⋅

Q = 1,2

A ⋅ ∆T ⋅t e

W 10m2 ⋅ (20°C − 5°C ) ⋅ ⋅ 1seg m ⋅ °C 0,2m Q = 900 J

Es decir que se transmiten 900 J por segundo. Si se quisiese mantener constante la temperatura interior, habría que colocar una estufa que compensara esa pérdida. Otro factor que influye en la conducción del calor es el área de la superficie de o entre los cuerpos que se encuentran a diferentes temperaturas. En la práctica, cuando se quiere enfriar algo más rápidamente se suele aumentar la superficie de o; esto es lo que ocurre cuando, por ejemplo, extendemos el puré caliente sobre un plato. Física 4° Año - Rosana Estela Gómez de Ramella

En la naturaleza, también encontramos ejemplos de diversas adaptaciones al medio relacionadas con la superficie de disipación térmica. Así, las orejas de los elefantes, por la gran superficie que ofrecen, actúan como disipadores térmicos importantes para la regulación térmica del animal.

O

Convección

El proceso de transmisión del calor por convección está caracterizado por la producción de corrientes en el fluido, debido a cambios en su densidad. Ejemplos:

'

Al calentar agua en un recipiente sobre el fuego, se producen movimientos en el líquido debido a cambios en su densidad. El agua que se calienta en la parte inferior es menos densa que el agua fría de la parte superior, y la diferencia de densidades produce un ascenso del agua menos densa. Estos movimientos en los fluidos, motivados por las diferencias de densidad provocadas por la variación de temperatura, son una forma de transmisión de calor por convección.

' Al encender una estufa en un ambiente cerrado, el calor se propaga por corrientes de convección. '

El fenómeno de las corrientes de convección también es usado por algunas aves, como los cóndores, para volar planeando utilizando las corrientes de aire ascendentes. En el fenómeno de convección se transmite energía térmica mediante el transporte de materia. A veces, se favorece el proceso de convección mediante algún sistema, como, por ejemplo, un ventilador. En estos casos, se dice que la convección es forzada.

O

Radiación

El proceso de transmisión del calor por radiación se realiza mediante ondas electromagnéticas. Este mecanismo permite la propagación de energía entre dos cuerpos, aún cuando entre ellos no haya materia intermedia. La radiación es el proceso por el que los cuerpos emiten energía que puede propagarse por el vacío. Ejemplos:

'

El Sol envía a nuestro planeta a través del espacio grandes cantidades de calor que se pueden transformar en energía. Dicho calor nos llega por radiación.

'

No solo el Sol emite radiación; en realidad, todos los cuerpos lo hacen. Existen películas fotográficas termosensibles que permiten registrar la radiación emitida por un cuerpo; también existen visores nocturnos con los que es posible detectar la radiación emitida por una persona o por un animal.

' '

Una estufa de cuarzo transfiere energía fundamentalmente por radiación.

Si se pone un termómetro en el vacío (sin aire) junto a una lámpara, la temperatura se eleva. Esto demuestra que no hace falta aire (materia) para que se transfiera energía térmica.

Física 4° Año - Rosana Estela Gómez de Ramella

Observación: Cuando se produce transmisión de calor entre dos cuerpos, generalmente coexisten las tres formas descriptas, aunque alguna de ellas prevalece sobre las demás. Por ejemplo, si se analiza lo que sucede con una lamparita eléctrica encendida, desde el punto de vista de la transmisión del calor se puede constatar lo siguiente: ° El portalámparas y alguna de las partes que están en o con la lamparita se calientan porque se produce una transmisión de calor por conducción. ° El aire que rodea la lamparita se calienta y asciende; de esta manera, se produce transmisión por convección. (Este hecho explica por qué, en algunas ocasiones, en el cielo raso se forma una mancha negra: al ascender, el aire arrastra polvo que se deposita sobre este) ° Si se acerca la mano a una lamparita encendida, se nota la emisión de radiación a una distancia de 20 cm.

EE-----------------------------------------------------------------------------------------------Clasifica los siguientes materiales en buenos conductores térmicos y en malos conductores térmicos. cobre, aluminio, ladrillo, bronce, fieltro, latón, porcelana, corcho, acero, monedas, papel, grafito, sartén, madera, lana de vidrio, mica, olla, vidrio, goma, plástico, tela, cerámica, oro, plata, hielo, hormigón. buenos conductores térmicos

malos conductores térmicos

EE-----------------------------------------------------------------------------------------------a) Resuelve el ejemplo presentado en el texto considerando que la pared es de aluminio; ídem considerando que es de telgopor. b) Un vidrio de forma cuadrada de 30cm de lado y 0,5 cm de espesor, tiene una de sus caras a 30 °C , y la otra, a 15 °C. ¿Cuánto calor se transmite a través del vidrio en una hora? c) Una casa tiene paredes de 25 cm de espesor, 400 m2 de superficie y una conductividad térmica de 1,2

W . Si la temperatura exterior es de 10 °C, ¿cuánto calor se pierde en m ⋅ °C

un minuto por las paredes, si la temperatura interior es de 25 °C? d) Una chapa de aluminio tiene 0,5 cm de espesor y 1m2 de superficie. Si a través de ella se conducen 960000 J por minuto, ¿cuál es la diferencia de temperatura entre las caras de la chapa? e) ¿Qué cantidad de calor atravesará en 5 minutos una lámina de aluminio de 20 cm2 de superficie y 4 cm de espesor, si la diferencia de temperaturas entre sus caras es de 40 °C? f) Un disco de hierro (conductividad térmica de 80

W ) de una cocina eléctrica tiene un m ⋅ °C

radio de 10 cm y un espesor de 5 mm. La temperatura de la superficie interior es de 120 °C y la de la exterior 110 °C. ¿Qué cantidad de calor es conducida a través de él en cada minuto? Respuestas: a) Q=153,750 J ; Q=22,5 J b) Q=1010880 J e) Q=123000 J f) Q=301440 J Física 4° Año - Rosana Estela Gómez de Ramella

c) Q=1728000 J

d) 3,92 °C